Florian Sauer

• Cross-striated muscles enable higher animals to perform directed movements and to create mechanical force. The cells of heart and skeletal muscles consist of myofibrils, serial arrays of the smallest contractile subunits, the sarcomeres. Main components of the sarcomeres are the thin and thick filaments, large protein assemblies consisting of mainly actin (thin filaments) and myosin (thick filaments), whose energy-dependent interaction is responsible for the contraction of sarcomeres and so of the whole muscle. The thin filaments are anchoredCross-striated muscles enable higher animals to perform directed movements and to create mechanical force. The cells of heart and skeletal muscles consist of myofibrils, serial arrays of the smallest contractile subunits, the sarcomeres. Main components of the sarcomeres are the thin and thick filaments, large protein assemblies consisting of mainly actin (thin filaments) and myosin (thick filaments), whose energy-dependent interaction is responsible for the contraction of sarcomeres and so of the whole muscle. The thin filaments are anchored in the sarcomere bordering Z-discs, while the thick filaments are anchored in the M-bands, traverse structures in the sarcomere center. Electron-microscopic studies revealed that the M-bands consist of regular, lattice-like structures that appear to cross-link the thick filaments. A number of proteins could be identified by immune-fluorescence and biochemical binding studies to be present and interact with each other in the M-bands. These data have been integrated into preliminary models of the M-bands. Detailed knowledge of how these proteins interact with each other in the center of the sarcomeres is, however, largely missing. The current study focuses on the structural characterization of the interactions between the titin, myomesin-1, obscurin and obscurin-like 1 (OBSL1), modular filamentous proteins interacting with each other in the M-bands. The high-resolution crystal structure of the titin M10 – OBSL1 Ig1 complex was solved. The structure and additional biophysical data show that titin and OBSL1 as well as titin and obscurin form stable binary complexes through the formation of a small intermolecular ß-sheet. In contrast to previously characterized intermolecular assemblies of sarcomeric proteins, this sheet is formed between parallel non- homologous ß-strands of the interaction partners. The investigation of disease-related variants of the M10 domain by biophysical methods did not allow to draw unambiguous conclusions on a direct connection between impaired OBSL1/obscurin binding and disease development. Two out of four known M10 variants have effects on the correct domain folding and so interfere with the ability to bind obscurin/OBSL1. The two other known variants displayed however only minor effects on fold and binding affinities. It should therefore be further elucidated whether a direct connection between impaired complex formation and disease development exists. -I- Abstract A direct interaction between titin and myomesin-1 could not be confirmed in vitro. Possible explanations for the different results are discussed. While the consequences of the inability of both proteins to interact are unclear, the further characterization of the putative interacting parts of titin and myomesin-1 led to the discovery of two new potential sites of self-assembly on M-band titin and myomesin-1. The crystal structure of titin M4 showed that this domain can form dimeric assemblies through the formation of a disulfide bridge and an intermolecular metal binding site between residues that are unique to this domain. On myomesin-1, in addition to the described C-terminal interaction site, a potential second site of self-assembly was found in its central Fn3-domain segment. The interacting site was mapped to the predicted Fn3 domain My5. The crystal structure of the domain in its dimeric form showed that the interaction is mediated by a mechanism that has previously not been observed in sarcomeric proteins. Two My5 interact with each other by the mutual exchange of an N-terminal ß-strand which complements the Fn3 fold on the binding partner. This type of interaction can be interpreted as misfolding. However, the position of the interacting domain and its mode of interaction allowed the postulation of a model of how myomesin-1 could be integrated in the M-bands. This model is in good agreement with the electron-microscopic appearance of the M-bands.…
• Die quergestreifte Muskulatur befähigt höhere Tiere zur zielgerichteten Bewegung und Ausübung mechanischer Kraft. Herz- und Skelettmuskelzellen bestehen aus Myofibrillen, die wiederum aus aneinandergereihten, kleinen kontrahierenden Untereinheiten, den Sarkomeren aufgebaut sind. Hauptbestandteile der Sarkomere sind die dünnen und dicken Filamente, große Proteinkomplexe die hauptsächlich aus Aktin (dünne Filamente) und Myosin (dicke Filamente) bestehen und deren energieabhängige Interaktion für die Kontraktion der Sarkomere und damit desDie quergestreifte Muskulatur befähigt höhere Tiere zur zielgerichteten Bewegung und Ausübung mechanischer Kraft. Herz- und Skelettmuskelzellen bestehen aus Myofibrillen, die wiederum aus aneinandergereihten, kleinen kontrahierenden Untereinheiten, den Sarkomeren aufgebaut sind. Hauptbestandteile der Sarkomere sind die dünnen und dicken Filamente, große Proteinkomplexe die hauptsächlich aus Aktin (dünne Filamente) und Myosin (dicke Filamente) bestehen und deren energieabhängige Interaktion für die Kontraktion der Sarkomere und damit des gesamten Muskels verantwortlich sind. Die dünnen Filamente sind in den Sarkomer-begrenzenden Z-Scheiben und die dicken Filamente in der M-Bande im Zentrum der Sarkomere verankert. Elektronenmikroskopische Studien zeigten, dass die M-Banden aus regelmäßigen, gerüstartigen Strukturen bestehen, die die dicken Filamente querzuvernetzen scheinen. Durch Immunfluoreszenz und Bindungstudien konnte eine Anzahl an Proteinen identifiziert werden, die neben Myosin am Aufbau dieses Gerüsts beteiligt sein könnten. Basierend auf diesen Daten wurden vorläufige Modelle des Aufbaus der M-Banden postuliert. Eine detaillierte Charakterisierung der Interaktionen dieser Proteine auf struktureller Ebene hat bisher jedoch nicht stattgefunden. Die hier präsentierte Arbeit beschäftigt sich mit der strukturellen Charakterisierung der Interaktionen zwischen den Proteinen Titin, Myomesin-1, Obscurin und OBSL1 in den M-Banden von Wirbeltiersarkomeren. Die hochaufgelöste Kristallstruktur des Titin M10 – OBSL1 Komplexes wurde gelöst. Die Struktur und zusätzliche biophysikalische Daten zeigen, dass der C- Terminus von Titin und die N-termini von OBSL1 bzw. Obscurin stabile, binäre Komplexe ausbilden. Im Gegensatz zu schon bekannten Komplexen zwischen Ig- ähnlichen Domänen sarkomerer Proteine, wird die Interaktion hier durch die Ausbildung eines intermolekularen ß-Faltblattes zwischen parallel orientierten ß- Strängen, vermittelt. Die Untersuchung von Varianten der M10 Domäne, die mit der Entwicklung von erblichen Muskelkrankheiten in Zusammenhang gebracht werden, ließen keine eindeutigen Schlussfolgerungen darüber zu, ob ein direkter Zusammenhang zwischen der Beeinträchtigung der Bindung an Obscurin/OBSL1 und der Entwicklung der - III - Zusammenfassung Krankheiten besteht. Zwei der vier bekannten M10 Varianten haben Auswirkungen auf die korrekte Faltung der Domäne, weshalb sie Obscurin und OBSL1 nicht binden können. Die beiden anderen Varianten zeigten jedoch nur geringfügige Auswirkungen auf Faltung und Affinität zu Obscurin und OBSL1. Es sollte daher weiter untersucht werden, ob ein direkter Zusammenhang zwischen der Bindung an Obscurin oder OBSL1 und der Entstehung vor Muskelkrankheiten besteht. Eine direkte Interaktion zwischen Titin und Myomesin-1 in vitro konnte nicht bestätigt werden. Verschiedene Erklärungen die zu den Unterschieden zwischen den hier gezeigten negativen und den an anderer Stelle beschrieben positiven Ergebnissen der Bindungsstudien geführt haben könnten, werden diskutiert. Die Konsequenzen der möglichen ‘Unfähigkeit’ Titins mit Myomesin-1 zu interagieren sind momentan unklar. Die weitere Charakterisierung der vermeintlichen Bindungspartner führte jedoch zur Entdeckung zweier neuer Selbstbindungsstellen auf Titin und Myomesin-1. Die Kristallstruktur der Ig-ähnlichen Domäne M4 von Titin zeigte, dass diese durch einer intermolekularen Disulfidbrücke und einer Zinkkoordinierungsstelle, Dimere bilden kann. Zusätzlich zu der beschrieben C-terminalen, wurde eine mögliche zweite Selbstbindungsstelle auf Myomesin-1 im zentralen Fn3-Domänensegment des Proteins entdeckt. Der für die Bindung verantwortliche Bereich konnte auf die Fn3 Domäne My5 eingegrenzt werden. Die Kristallstruktur der Domäne in ihrer dimeren Form zeigte, dass die Interaktion durch einen zuvor bei Muskelproteinen nicht beschriebenen Mechanismus vermittelt wird. Zwei My5-Domänen interagieren durch den gegenseitigen Austausch eines N-terminalen ß-Stranges, der die Faltung des Bindunspartners komplementiert. Diese Art von Proteininteraktion kann als Resultat der Fehlfaltung der Domäne interpretiert werden. Die Position der interagierenden Domäne und die Art der Interaktion erlaubten es jedoch, ein Modell aufzustellen, das erklären könnte, wie Myomesin-1 in die M-banden eingebaut ist. Dieses Modell stimmt mit dem elektronenmikroskopischen Erscheinungsbild der M-Banden gut überein.…